Experimental Study on Mixing Stability and Macroscopic Spray Characteristics of Diesel-gasoline Blended Fuels

디젤-가솔린 혼합연료의 혼합안정성 및 거시적인 분무 특성에 관한 실험적 연구

박세원^*·박수한^*·박성욱^**·전문수^***·이창식^†,**

Experimental Study on Mixing Stability and Macroscopic Spray Characteristics of Diesel-gasoline Blended Fuels

Sewon Park, Su Han Park, Sungwook Park, Mun Soo Chon and Chang Sik Lee

Key Words: Spray Tip Penetration( 분무도달거리 ), Spray cone angle( 분무각 ), Fuel properties( 연료 물성치 ), Kinematic viscosity( ^동점도 ), Spray behavior( ^분무거동 )

Abstract

The study is to investigate the mixing stability, fuel properties, and macroscopic spray characteristics of diesel-gasoline blended fuels in a common-rail injection system of a diesel engine. The test fuels were mixed diesel with gasoline fuel, which were based volume fraction of gasoline from 0 to 100% in 20% intervals. In order to analyze the blended effect of gasoline to diesel fuel, the properties of test fuels such as density, viscosity, and surface tension were measured. In addition, the spray behavior characteristics were studied by investigating the spray tip penetration and spray angle using a spray images through a spray visualization system. It was revealed that the density, kinematic viscosity and surface tension of diesel-gas- oline blending fuels were decreased with the increase of gasoline fuel. The injection quantity of test fuels were almost similar level at short energizing duration condition. On the other hand, the increase of energizing duration shows the decrease of injection quantity compared to short energizing duration. The test blending fuels have similar growth in Spray tip penetration and Spray cone angle.

1. 서 론

화석연료의 고갈과 환경오염을 방지하기 위하여 자동 차로부터 배출가스에 대한 환경규제는 점차 강화되고 있다 . ^{이에 대응하기 위하여 디젤엔진의 이산화탄소 배}

출 저감 및 연비 성능향상을 위한 연구가 활발하게 연 구되고 있다 . 디젤엔진은 가솔린엔진 보다 높은 압축비

로 작동되어 열효율이 높고 출력성능이 우수한 장점이 있다 .

디젤엔진은 이산화탄소 (CO

) 및 미연탄화수소의 배 출량이 적은 반면 입자상 물질 (particulate matter, PM)

및 질소산화물 (nitrogen oxides, NOx) ^{이 많이 배출되어}

대기 오염의 주된 원인이 되고 있다

. 디젤엔진의 성

능을 향상시키기 위하여 연료분사 시스템에 전자제어식 고압 분사시스템이 도입되면서 분사량 및 분사시기의 정밀제어가 가능해졌다 . ^{이러한 기술 발달로 디젤엔진}

에서는 고압분사 및 작은 분사공을 사용함으로써 연료 미립화의 향상을 통한 양질의 혼합기 형성과 이에 따른 입자상 물질 , ^{배출가스 저감에 기여하게 되었다} . ^뿐만

아니라 , 디젤엔진 연구에서는 매연저감장치를 디젤산화 촉매와 함께 사용하여 고부하 영역에서 배출되는 매연 (2012

4

17

~ 2012

5

25

, 2012

9

22

)

*한양대학교대학원기계공학과

**한양대학교기계공학부

***한국교통대학교에너지시스템공학과

†책임저자

,

,

E-mail : [email protected]

TEL : (02)2220-0427 FAX : (02)2281-5286

을 가솔린 엔진의 수준으로 낮출 수 있으며

배기가스 재순환장치 (exhaust gas recirculation, EGR) 를 이용해 연 소실 내로 유입되는 산소 농도의 저감을 통한 연소 온 도 저하로 연소 시 발생하는 NOx ^{를 저감할 수 있는 기}

술이 개발되고 있다

. 그러나 이러한 후처리 기술은

연소효율 및 출력 감소 등에 영향을 미치는 문제점이 제기되고 있다 . ^{따라서 최근 연료의 물성변화 및 연소}

상 (combustion phase) 제어를 통해 배기가스를 저감 하

고자 하는 선행연구가 진행되고 있다 . 이에 따라 신 연 소기법인 예혼합 압축착화와 부분 예혼합 압축착화 등 을 압축착화 연소에 적용하는 연구가 활발하게 진행되

고 있다

. 그 중에서 세탄가가 순수 디젤연료보다 비

교적 낮은 가솔린 연료를 디젤연료에 혼합하여 착화지 연기간 확장에 의한 저온연소 효과를 통해 NOx ^와 PM

의 배출을 동시 저감하고자 하는 연구도 활발히 진행

중이다

. 그러나 연소기법에 관한 많은 연구에 비해

디젤 - ^{가솔린 혼합연료의 혼합 안정성 및 연료 물성에}

따른 분무특성에 관한 실험적 연구는 아직 충분히 이루 어져 있지 않은 실정이다 .

따라서 본 연구에서는 디젤 - ^{가솔린 혼합연료의 가솔}

린 혼합비 (20%, 40%, 60%, 80%) 에 따른 혼합연료의 안

정성과 연료 물성치 ( 점도 , 밀도 , 표면장력 ) 를 측정·분 석하고 , ^{고압분사 조건에서 분무 도달 거리 및 분무각과}

같은 거시적인 분무특성을 측정하여 비교 분석하였다 .

2. 실험 장치 및 방법

2.1 실험 장치

본 실험에서는 디젤 - ^{가솔린 혼합연료의 거시적 분무}

특성 ( ^{분무도달거리} , ^분무각 ) ^{을 분석하기 위하여} Fig. 1

과 같은 고압분사장치 및 분무가시화장치 , 분무 영상 취 득·분석 장치를 이용하였다 .

Fig. 1 ^{에서 점선은 분무 제어를 위한 신호라인이며} ,

실선은 연료공급라인 , 1 점 쇄선은 질소기체의 공급라인 을 각각 나타낸다 . 디젤 - 가솔린 혼합연료는 병렬로 연결 된 2 ^{개의 고압펌프} (Haskel, HSF-300) ^{를 이용하여 연료}

필터와 커먼레일을 통해 솔레노이드 방식으로 구동되는

단공 인젝터 ( 분공직경 0.3 mm) 에 공급하였다 . 인젝터는

인젝터 드라이버 (TEMS, TDA-3200H) ^{를 사용하여 분사}

기간 및 통전기간을 제어하였다 . 분무 거동 형상 분석을 위해 고속 카메라 (Photron, Fastcam-APX RS) 와 2 개의

메탈 할레이드 램프 (Photron, HVC-SL, 150W) 를 이용하

여 분무 거동 영상을 취득하였다 . ^{디지털 신호발생기} (Berkeley Nucleonics Corp, Model 575) 를 이용하여 인 젝터 드라이버의 분사 신호와 고속 카메라의 영상 신호 를 동기화 하여 분무 영상을 취득하였으며 , ^{취득된 분무}

영상은 영상 분석 프로그램 (PFV_330) 을 통해 분석하였

다 . 분위기 압력의 조절을 위해 최대 4 MPa 까지 가압할

수 있는 정적 체임버를 이용하였으며 , ^{불활성 기체인 질}

소가스를 이용해 분위기 압력을 조절하였다 .

분사율 측정은 BOSCH 법

을 이용하였으며 관내 압

력변화를 측정하기 위해 최대 20 MPa ^{까지 측정할 수}

있는 압력센서 (KISTLER, 601A) 를 사용하였으며 , DAQ

보드 (National Instrument, NI 6013) 를 통해 압력 및 전류

신호를 취득하여 Labview 프로그램을 이용하여 분석하

였다 .

2.2 실험 방법

본 연구에서는 디젤 - ^{가솔린 혼합연료의 거시적 분무}

특성을 관찰하기 전에 실험연료의 혼합안정성과 물성에 관한 실험적 연구를 선행하였다 . 혼합안정성은 디젤 및 가솔린 연료의 혼합비율과 저장 조건에 따라 두 연료 상

(phase) 의 분리 유무로 판단하였다 . 디젤 - 가솔린 혼합연료

의 점도는 회전식 다이얼 점도계 (Brookfield, LVT) 와 저

점도 측정용 어댑터 (UL adapter, Brookfield, ULA-36) ^를

이용하여 측정하였으며 , 실험연료의 질량과 부력을 이용 하여 비중을 측정하였다 . 표면장력은 표면장력계 (Ito,

514-B2) 를 사용하여 측정할 수 있었다 . 가솔린 혼합비율

에 따른 거시적인 분무특성 ( ^{분무도달거리} , ^분무각 ) ^{을 비}

교분석하기 위하여 분무 가시화 장치를 이용하여 분무

영상을 취득하였다 . 체적 비율 변화에 따른 디젤 - 가솔린

혼합연료의 혼합비율은 Table 1 ^{에 나타내었으며} , ^분사압

Fig. 1 Schematic of the visualization system

력과 분위기압력은 각각 80 MPa, 3 MPa 로 고정하였다 .

통전기간은 0.7 ms, 1.3 ms 로 나누어 비교 실험하였다 . 정 확한 분무 거동 영상을 취득하기 위해 영상 취득 전 체 임버 내 잔류가스는 완전히 제거한 후 반복실험을 수행

하였다 . 자세한 실험 조건은 Table 2 에 나타내었다 .

취득된 분무 영상은 MATLAB ^{기반으로 작성된 분무}

영상 분석 프로그램에 의해 계산하여 실험결과의 객관 성을 유지할 수 있도록 하였다 . 분무 영상프로그램은 영 상 후처리 기법을 기반으로 하였으며 , ^{취득한 이미지는}

필터링 과정을 통해 취득하도록 하였다 . 프로그램에서 분무도달거리는 노즐 팁에서부터 분무 선단에 도달하는 최대거리로 정의하였고 , 분무각은 분사된 연료의 중심 축에서 반경방향으로 가장 멀리 떨어져 있는 두 지점과 노즐팁이 이루는 사잇각으로 정의하였다 .

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 디젤-가솔린 혼합연료의 혼합 안정성 및 물리적 물성 특성

Fig. 2 은 가솔린 혼합비율에 따른 상분리 변화를 관찰

하여 그 상태를 나타낸 사진이다 . 연료의 혼합 안정성은

혼합연료의 저장 조건 ( 공기와의 접촉유무 ) 및 가솔린 혼 합비율 , ^{저장 시간의 경과에 따라 혼합연료의 상분리} (phase separation) 유무를 관찰하였다 . 그림에서 보는 바 와 같이 다양한 실험 조건의 변화에도 불구하고 디젤 -

가솔린 혼합연료는 상분리 없이 안정적으로 저장되고 있음을 관찰할 수 있었다 . ^{이 실험결과를 바탕으로 디젤} - 가솔린 혼합연료는 연료 첨가제의 추가 사용없이 안정 성을 확보할 수 있으며 , 본 실험에 사용하기 적합한 것

Table 1 Test Fuels

Diesel Gasoline

G0 100% 0%

G20 80% 20%

G40 60% 40%

G60 40% 60%

G80 20% 80%

G100

0% 100%

*Lubrizol 1% 를 첨가

Table 2 Experimental conditions

Injection system Common-rail

Test injector Single hole with 0.3 mm

hole diameter Injection pressure(P

) 80 MPa Ambient pressure(P

) 3 MPa Energizing duration(t

) 0.7 ms, 1.3 ms

Fuel temperature 15~25

C

Fig. 2 Comparison of the phase separation of diesel-gas-

oline blended fuels

으로 판단하였다 .

Fig. 3 는 디젤 - 가솔린 혼합연료의 밀도 , 점도 , 및 표면 장력을 단일연료 및 가솔린 혼합비율에 따라 비교 분석

한 것이다 . Fig. 3(a) ^{에서 보는 바와 같이 가솔린 혼합비}

율이 증가함에 따라 혼합 연료의 밀도는 선형적으로 감 소하였으며 , 가솔린 혼합비율이 20% 씩 증가할 때 마다 혼합연료의 밀도는 평균 2.96% ^{씩 감소하였다} . ^{이것은 두}

연료의 혼합 시 혼합연료의 밀도는

(A 와 B 는 a, b 각 연료의 혼합 비율 , ρ

, ρ

는 a, b 연료 의 밀도 ) ^{에 따라 변하기 때문이다}

.

한편 , 혼합연료의 점도는 가솔린 혼합비율이 증가함 에 따라 지수함수적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었 다 . ^{순수 디젤연료에 가솔린 연료가 소량 혼합되었을 때}

는 점도의 낙폭이 약 33% 로 컸으나 , 가솔린 혼합비율이 증가함에 따라 점도의 감소폭도 감소하는 것을 확인할 수 있었으며 , 가솔린 혼합에 따른 점도의 평균 감소율은

약 27% 였다 . Fig. 3(b) 는 가솔린 혼합비율에 따른 표

면장력의 값을 나타낸 것이다 . ^{그림에서 보는 바와 같}

이 표면장력은 가솔린 혼합비율 변화에 따라 평균

5.85% 의 감소율이 나타났다 . 이와 같은 물성특성에 관

한 실험으로부터 가솔린 연료의 혼합비율이 증가함에 따라 연료의 밀도와 표면장력은 선형적으로 감소하고 ,

점도는 지수 함수적으로 감소하는 것을 확인할 수 있 었다 .

3.2 디젤-가솔린 혼합비율에 따른 분사량 특성

Fig. 4 는 디젤 - 가솔린 혼합연료에서 20% 씩의 가솔린

체적비율 변화에 따른 분사유량 특성을 나타낸 것이다 .

분사압력과 분위기압력은 각각 80 MPa, 0.1 MPa 이며

3000 회씩 2 회 분사하여 평균값을 이용하였다 . 통전기

간 0.7 ms ^에서 1.5 ms ^{까지 증가한 겨 경우 가솔린 혼}

합비율에 따라서 점차 분사유량이 낮아지는 것을 확인 할 수 있었으며 , 통전기간이 늘어남에 따라 분사유량 역시 선형적으로 증가하였다 . 또한 , 통전기간이 짧은

0.7 ms ^{에서는 가솔린 혼합비율에 따른 분사유량의 차}

이가 크지 않았으나 통전기간이 점차 증가함에 따라 가솔린 혼합비율에 따른 분사유량의 차이가 크게 나타 났다 . ^{가솔린 혼합비율에 따른 분사유량의 감소는 연}

료 물성치 특성과 동일하게 가솔린 혼합비율에 따라서 밀도가 감소하였기 때문이며 , 낮은 통전기간 일수록 분사유량이 적은 이유는 연료 분사시 인젝터 니들이 열리는 시간이 짧아 연료의 유량차이가 미비하기 때문 에 혼합비율에 따라 연료유량의 차이가 낮음을 알 수 있었다 .

ρ

= Aρ

+ Bρ

Fig. 3 Fuel properties of diesel-gasoline blended fuels according to the gasoline blending ratio at atmo- spheric condition

Fig. 4 Injection quantity characteristic of diese-gasoline

blended fuels for variation of gasoline blending

ratio

3.3 디젤-가솔린 혼합비율에 따른 분사율 특성

Fig. 5(a), (b) 는 Bosch 법을 이용하여 제작한 분사율

측정 장치에서 압력 3 MPa 의 관속에 분사 압력 P

=80

MPa ^{의 압력으로 분사하였을 경우 분사율 곡선을 나타}

낸 것이다 . 이 경우 통전기간은 t

=0.7 ms, 1.3 ms 이고 가솔린 혼합비율을 6 가지로 변화시켜 실험하였다 . Fig.

5(a) ^{에서 보는 바와 같이 분사 후 시간} 0.77 ms ^{에서 단}

일연료 ( 디젤 , 가솔린 ) 최대 분사율의 차이가 18.31% 로

나타났으며 , 가솔린 혼합비율 G20 과 G80 의 차이에서는

12.27% ^{의 최대 분사율 차이가 나타났다} . Fig. 5(b) ^에서

는 단일연료 ( 디젤 , 가솔린 ) 의 최대 분사율의 차이가

24.45% 나타났으며 , 가솔린 혼합비율 (G20, G80) 에 따른

최대 분사율의 차이가 14.91% 로 나타났다 . 분사 지연

기간 (injection delay) ^{은 통전기간의 변화} (t

=0.7 ms, 1.3 ms) 에 따라 디젤연료에서 가장 길게 나타났으며 , 실제 분사기간 또한 디젤연료에서 가장 긴 것으로 나타났다 .

분사량 특성과 동일하게 분사율 특성에서도 점성계수의 영향보다 밀도의 영향이 더 큰 것으로 판단된다 . 가솔 린 혼합비율에 따른 최대 분사율의 크기는 통전기간

(t

=0.7 ms) ^에서 (G20: 28.42 mg/ms, G40: 27.13 mg/

ms G60: 26.22 mg/ms G80: 24.93 mg/ms) 으로 평균

4.16%, 감소하였으며 , 가솔린의 혼합비율이 디젤연료

보다 분사지연 기간이 더 빨리 나타나는 것을 확인할 수 있었다 .

3.4 디젤-가솔린 혼합비율에 따른 분무도달거리

Fig. 6 은 분사 시작 후 시간의 변화에 따른 분무도달

거리를 분석하였다 . 인젝터 분사공이 열린 후 짧은 시간

(t

=0.5 ms) 내에서도 높은 분사압력 및 연료물성 ( 밀도 ,

점도 ) ^{의 영향으로 가솔린 혼합비율에 따른 분무도달거}

리가 짧게 나타났다 . 또한 , 단일연료 ( 디젤 , 가솔린 ) 및 가솔린 혼합비율의 변화에 따른 분사 후 시간 (t

=0.7 ms, t

=1.5 ms) ^의 2.6% ^{의 분무도달거리의 차이를 나타}

냈다 . 이는 충분히 개방된 밸브시간을 통해 가솔린의 낮 은 연료 물성 ( 밀도 , 점도 ) 의 영향으로 판단되며 , 높은 분사압력을 통해 가솔린의 증발특성이 활발해져 단일연

료와 차이가 더 크게 나타난 것으로 판단된다

.

3.5 가솔린 혼합비율에 따른 분무 거동특성

Fig. 7 은 가솔린 혼합비에 따른 분무 거동 이미지를

고속카메라를 통해 취득하였다 . 가솔린 혼합비에 따른 분무거동 ( 분무도달거리 , 분무각 , 분무면적 ) 의 큰 편차 를 예상하였으나 가솔린 혼합비율에 따른 분무발달형태 의 차이가 혼합비율에 큰 영향을 받지 않으며 순수디젤 과 동일한 분무거동 이미지를 얻을 수 있었다 .

Fig. 5 Injection rate profile of diesel-gasoline blended

fuels at the various gasoline blending ratio Fig. 6 Spray tip penetration characteristics of diesel-gas-

oline fuel for after start of injection

3.6 가솔린 혼합비율에 따른 분무각

Fig. 8(a), (b) 는 통전기간 (t

=1.3 ms) 을 동일시 하고 분사 후 시간 (t

=0.7 ms, 1.0 ms) ^{의 변화에 따라} MAT- LAB 기반으로 작성된 분무 영상 분석 프로그램을 사용 하여 분사 된 액적의 최 외곽 지점을 흑과 백으로 구분 하여 실제 영상과 가장 유사한 영상을 필터링 과정

(Gaussian_Threshold Factor) 을 통해 분무각을 취득하도 록 하였다 . 단일연료 ( 디젤 , 가솔린 ) 와 가솔린 혼합비율 의 분구각 차이가 크지 않았으며 , ^{분사 후 시간}

(tasoi=1.0 ms) 의 변화에서도 분무각의 차이가 미비한 것

으로 나타났다 . 이는 높은 분위기 압력으로 인해 시험연 료간의 분무거동이 유사하여 분무각의 차이가 크게 나 타나지 않는 것으로 판단된다 .

4. 결 론

본 연구에서는 디젤 - 가솔린의 혼합연료에서 가솔린 혼합비율에 따른 거시적인 분무특성 ( 분무도달거리 , 분 무각 , ^분무면적 ) ^{을 실험적으로 규명하였으며 다음과 같}

은 결론을 얻을 수 있었다 .

1) 디젤 - 가솔린 혼합연료에서 공기 접촉 유무 및 시간

경과에 따른 혼합 안정성과 상변화 특성 을 관찰해 본 결과 상 분리 현상이 발생하지 않아 디젤 - ^{가솔린 혼합}

연료의 안정성을 확인 할 수 있었다 .

2) 가솔린 혼합비율이 높아질수록 연료 물성치 ( 밀도 ,

점도 , ^표면장력 ) ^{가 선형적으로 낮아지는 경향을 나타내}

었다 .

3) 디젤 - 가솔린 혼합연료의 분무도달거리는 인젝 터 통전시간이 증가함에 따라 특성을 연료 유 량은 증가하 며 , 인젝터 니들이 충분히 개방된 t

=0.7 ms 로부터 분 무도달거리의 차이가 증가 하였다 .

4) ^{높은 분사압력으로 인해 시험연료간의 물성변 화}

에 따른 영향이 크게 미치지 않아 분무각의 차이가 크 지 않게 나타났다 .

Fig. 7 Spray development processing images compare with gasoline blending ratio. (P

=80 MPa, P

=3 MPa, t

=0.7 ms, 1.3 ms)

Fig. 8 Maximum spray cone angle characteristics of die-

sel-gasoline blended fuels according to gasoline

blending ratio. The spray cone angle was calcu-

lated of imaging processing program

후 기

본 연구는 2단계 두뇌한국 21 (BK21) 사업의 지원으 로 수행되었으며, 2011년도 한국연구재단의 지원으로 수행된 연구 (2011-0025295)로서 연구를 지원해주신 관 계기관에 감사드립니다.

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